CONSECUENCIAS HIDROLÓGICAS DE LA COMPACTACIÓN EN FIBRA DE COCO
A. PÉREZ BUENAFUENTE, C. M. REGALADO1, M. C. CID BALLARÍN2
Instituto Canario de Investigaciones Agrarias (ICIA). Apartado 60. La Laguna. 38200 Tenerife
1Dpto. Suelos y Riegos ([email protected])
2Dpto. Ornamentales y Horticultura ([email protected])
Resumen
Se presentan resultados preliminares del efecto de la compactación sobre las propiedades hidrológicas de la fibra de coco. Se determinó la relación entre potencial matricial (ψψψψ) y contenido volumétrico de agua del sustrato, y la conductividad hidráulica en condiciones de saturación e instauración, a dos grados de compactación (densidad aparente 0.08 y 0.11 g cm-3). A los datos de retención de humedad obtenidos se ajustaron modelos clásicos que describen la curva de retención de medios porosos (van Genuchten, Brooks-Corey). Esto permitió determinar parámetros relevantes sobre las propiedades hidráulicas de la fibra de coco (agua disponible para las plantas, punto de marchitez, etc.), así como derivar los distintos rangos de poros implicados en el transporte y retención de agua, que se ven afectados por la compactación. Los resultados evidencian una clara influencia de la compactación sobre la fracción porosa, cuya matriz se ve modificada en detrimento de los poros de mayor tamaño. La reducción de macroporos causada por la compactación implica un aumento de la retención de agua a baja succión y una disminución drástica de la conductividad hidráulica en condiciones cercanas a saturación (ψψψψ < 5 cm).
Palabras clave: sustrato, retención de humedad, curva característica, distribución de poros, conductividad hidráulica, modelo de Mualem-van Genuchten
Abstract
Preliminary results about the effects of compaction on the hydrological properties of the coconut fiber are presented. The relationship between matric potential (ψψψψ) and volumetric water content, and saturated and unsaturated hydraulic conductivity were determined at two degrees of substrate compaction (bulk density 0.08 and 0.11 g cm-3). Water retention models (van Genuchten, Brooks-Corey) were fitted to the water retention data. This allowed us to determine relevant parameters about the hydraulic properties of the coconut fiber (plant available water, wilting point, etc.), and to derive the pore ranges involved in transport and water retention, affected by substrate compaction. The results show a clear effect of the compaction upon the substrate macroporous fraction. The reduction of the macropores caused by compaction implies both an increase in the water retention at low suctions and a six-fold reduction of the
Keywords: substrates, water retention, characteristic curve, pore distribution, hydraulic conductivity, Mualem -van Genuchten model
INTRODUCCIÓN
La fibra de coco presenta ventajas en aplicaciones de cultivo hidropónico frente a otros sustratos, al ser ligera, poder comprimirse fácilmente, lo cual simplifica su transporte y manipulación, y rehidratarse posteriormente muy bien (Noguera, 1999). Por otra parte se trata de un recurso renovable que no genera problemas medioambientales. Su capacidad de oxigenación y retención de agua la hacen muy adecuada como sustrato para cultivo sin suelo, no obstante para su correcto manejo es imprescindible conocer más a fondo su comportamiento hidrológico.
El flujo de agua hacia las raíces a través del medio radicular depende tanto del gradiente de potencial (ψ) como de la conductividad hidráulica (K) del medio poroso, que varía con el contenido de agua del sustrato (θ ). Al predominar en los sustratos fracciones notablemente más gruesas que en los suelos naturales, la conductividad hidráulica a nivel del propio sustrato puede disminuir en varios órdenes de magnitud como consecuencia de variaciones relativamente reducidas del contenido hídrico (Marfá et al., 1998). Por otra parte, las propiedades hidráulicas del sustrato pueden verse afectadas por la compactación y consecuentemente por el manejo. En este trabajo se estudia el efecto de la compactación sobre la curva de retención de humedad, la conductividad hidráulica y la distribución de poros de la fibra de coco.
MATERIALES Y MÉTODOS Material
Se utilizó fibra de coco comprimida, presentada en forma de “ladrillos” de dimensiones 20 x 10 x 5 cm y peso aproximado de 0,6 kg, cuyo volumen final tras la rehidratación fue de unos 10 litros por unidad.
Curva de retención de agua.
Se emplearon anillos de acero inoxidable de 5 cm de diámetro y 96.6 cm3 de volumen, rellenados con fibra de coco a dos grados de compactación: densidad aparente, ρa = 0.08 y 0.11 g cm-3 (3 repeticiones). Las muestras se saturaron con una solución de timol y sulfato de cobre para minimizar degradación de la materia orgánica. Las muestras saturadas se colocaron sobre placas de cerámica porosa, y el conjunto se introdujo en células herméticas que fueron sometidas a presiones (-ψ ) crecientes de 0 a 1500 kPa. A partir del volumen de agua drenada tras cada paso creciente de presión y conocido el peso seco del sustrato mediante secado en estufa a 75oC, se calcula el contenido volumétrico de agua (θ ).
Ajuste de las curva de retención de humedad.
A los datos de ψ-θ obtenidos se ajustaron los siguientes modelos propuestos por Brooks y Corey (1964) [1] y van Genuchten (1980) [2]
Donde:
- Se es la saturación efectiva o grado efectivo de saturación.
- θr y θs son los contenidos volumétricos de agua residual y a saturación, respectivamente.
- ψa es el potencial mátrico de burbujeo.
- λ caracteriza la distribución de poros.
- α, n, m son parámetros adimensionales de ajuste.
Los datos de retención de agua obtenidos fueron ajustados a los modelos [1] y [2] con ayuda del programa SHYPFIT (Durner, 1995). La bondad del ajuste se cuantificó mediante la desviación media del contenido de agua, ∑ i − i
k θ θˆ
1 , donde θi −θˆi representa
la diferencia entre los valores de humedad a un potencial mátrico i medidos y ajustados.
Conductividad hidráulica.
La conductividad hidráulica saturada (Ksat) se determinó con un permeámetro de laboratorio de carga constante siguiendo el procedimiento descrito por Klute y Dirksen (1986). La curva de conductividad hidráulica insaturada se deriva a partir del modelo de Mualem-van Genuchten.
) / 1 1 , / 1 ( )
( 2
/
1 m n n
I Se K Se
K m
sat Se + −
= τ [3]
dondeττττ (=0.5) es un parámetro de tortuosidad de la matriz porosa y Iz(a, b) es la función Beta regularizada
) / 1 1 , / 1 (
) / 1 1 , / 1 ) (
/ 1 1 , / 1
( 1/
/
1 m n n
n n
n m n
m
I m m
Se
Se + −
−
= +
−
+ β
β
[4]
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La figura 1 muestra los datos de retención ψ-θ obtenidos a dos grados de compactación distintos. Se observa un claro efecto de la compactación, de modo que tanto el contenido de agua a saturación como el punto de marchitez permanente (100 cm de c.a.) aumentan con la densidad aparente.
Los parámetros de ajuste de los datos ψ-θ a los modelos [1] y [2] se resumen en la tabla 1. La derivada de la curva de retención, en escala logarítmica, describe la distribución de diámetros de poros que retienen agua a distintos potenciales (Durner,
-1/n
≤
>
− =
= −
−
a a a
r s
Se r
ψ ψ
ψ ψ ψ
ψ θ
θ θ θ
λ
, 1
,
[1] n m
r s
Se r = + −
−
= − (1 (αψ) ) θ
θ θ
θ [2]
tabla 1 se deduce que m-1/n = 1.3 y 1.8 para ρa = 0.08 y 0.11 g cm-3, respectivamente, lo que demuestra que la compactación causa una disminución del número de macroporos.
Esto se observa con más claridad en la figura 2, donde se compara la distribución de poros derivada a partir de la curva de retención.
La figura 3 describe la variación de conductividad hidráulica con el potencial, K(ψ).
La Ksat del sustrato con menor densidad es seis veces mayor que la del sustrato compactado, diferencia que va decreciendo a medida que nos alejamos de condiciones de saturación, hasta que ambas se igualan para potenciales ψ > 8 cm.
CONCLUSIONES
Los resultados evidencian una clara influencia de la compactación sobre la fracción porosa, cuya matriz se ve modificada en detrimento de los poros de mayor tamaño. La reducción de macroporos causada por la compactación implica un aumento de la retención de agua a baja succión y una disminución drástica de la conductividad hidráulica en condiciones cercanas a saturación (ψ < 5 cm). Los resultados obtenidos sugieren posibles consecuencias del manejo y régimen de riego sobre el comportamiento hidráulico de la fibra de coco.
Referencias
Brooks, R.H. y Corey, A.T. 1964. Hydraulic properties of porous media. Hydrol. Pap., 3:1-27, Colo. State Univ., Fort Collins.
Durner, W. 1994. Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure. Water Resources Research 30: 211-223.
Durner, W. 1995. SHYPFIT 0.24 User’s Manual. Research Report 95.1. Department of Hydrology, University of Bayreuth, Germany.
Klute, A. y Dirksen. C., 1986. Hydraulic conductivity and diffusivity: Laboratory methods. p. 687-734. En: A. Klute (ed). Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, 2nd. ed. Agron. Monogr. 9, ASA. Madison, WI.
Marfá, O., Savé, R., Biel, C., Cohen, M. y Lladó, R. 1998. Substrate hydraulic conductivity as a parameter for irrigation of carnation soilless culture. Acta Hort.
458:65-73.
Noguera Murray, P. 1999 Caracterización y evaluación agronómica del residuo de fibra de coco: un nuevo material para el cultivo en sustrato. Tesis Doctoral. E.T.S.
Ing. Agrónomos, Universidad Politécnica de Valencia.
van Genuchten, M. Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 44: 892-898.
1 10 100 1000 10000 Potencial matricial ψ ψ ψ ψ (cm) 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Contenido de humedadθθθθ (% vol.) ρρρρ
a 0.08 g cm-3 ρ
ρ ρ
ρa 0.11 g cm-3
Tabla 1. Resultados de las determinaciones (contenidos de humedad y conductividad hidráulica saturada) y parámetros de ajuste obtenidos en los modelos de retención.
Sustrato sin compactar ρa 0.08 g cm-3
Sustrato compactado ρa 0.11 g cm-3 Contenido de agua a saturación θs (% vol.) 74,0 78,9
Contenido de agua a ψ 100 cm (% vol.) 26,8 35,6
Conductividad hidráulica saturada Ksat (m día-1) 207,0 34,7 Modelo de retención de Mualen–van Genuchten
Contenido de agua residual θr (% vol.) 21,6 28,9
Α (cm -1) 0,354 0,217
m 9,469 2,546
N 0,062 0,227
Error del ajuste 0,005 0,008
Modelo de retención de Brooks–Corey
ψa (cm -1) 2,8 3,8
Λ 0,584 0,516
Error del ajuste 0,005 0,008
Figura 1. Curvas de retención de agua de la fibra de coco a dos grados de compactación.
(Valores medios de 3 repeticiones).
Figura 2. Efecto de la compactación sobre la distribución del tamaño de poros de la fibra de coco.
2 4 6 8 10
5000
Figura 3. Efecto de la compactación sobre la curva de conductividad hidráulica de la fibra de coco.
ρa 0.08 g cm-3
ρa 0.11 g cm-3
Tamaño de poro (mm) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
Frecuecia relativa
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 100
50 200
150
Conductividad hidráulica K (m/dia)
Succión ψ (cm)
2 4 6 8 10
0
ρa 0.11 g cm-3
ρa 0.08 g cm-3
